Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was "Phase ist", wenn amorphes Silizium flüssig wird

25.10.2004


Physiker der Universität Jena und des Berliner Hahn-Meitner-Instituts weisen erstmals Glasübergang in amorphem Silizium nach und belegen in "Nature Materials"-Publikation die Existenz eines Flüssig-Flüssig-Phasenübergangs


Oberfläche amorpher Silizium-Schicht. Aufgedampfte Goldquadrate verschieben sich während der Ionenbestrahlung mit der Si-Schicht. (Foto: Hedler)



Man sollte meinen, ein Vorgang wie das Schmelzen eines Stoffes ließe aus wissenschaftlicher Sicht keine größeren Fragen mehr offen. Doch bis heute ist für viele Stoffe nicht bis ins Detail verstanden, was auf atomarerer Ebene wirklich passiert, wenn sie vom festen Zustand in den flüssigen übergehen. Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) haben den Phasenübergang von amorphem Silizium untersucht und dabei gleich zwei Besonderheiten aufgedeckt. Sie widerlegten zum einen, dass es sich beim Wechsel des Aggregatzustandes um einen echten Schmelzvorgang (Phasenübergang 1. Ordnung) handelt, wie man ihn etwa von Metallen kennt. Zum anderen fanden sie erstmals Hinweise auf einen so genannten Flüssig-Flüssig-Phasenübergang, der bisher nur am Computer simuliert, jedoch nicht in Experimenten nachvollzogen werden konnte. Die Ergebnisse, die einen Paradigmenwechsel darstellen, sind ab heute (25.10.) in der Online-Version der renommierten Fachzeitschrift "Nature Materials" nachzulesen, wo vorab auf die Highlights der nächsten Printausgabe hingewiesen wird.

... mehr zu:
»Atom »Dichte »Flüssigkeit »Silizium


"Entgegen der bisherigen Postulate konnten wir einen zweistufigen Vorgang nachweisen, bei dem sich das amorphe Silizium im ersten Schritt wie Glas verhält", nennt der Erstautor André Hedler das Ergebnis. Dem Physiker, der gerade seine Doktorarbeit an der Universität Jena anfertigt, ist es gemeinsam mit Dr. Siegfried Klaumünzer und Prof. Dr. Werner Wesch gelungen, zu zeigen, was beim Phasenübergang Phase ist.

In amorphem Silizium, das etwa in Solarzellen von Taschenrechnern zum Einsatz kommt, hat jedes Atom vier Nachbarn, die jeweils in den Ecken von Tetraedern angeordnet sind. Bei einer Temperaturerhöhung gerät dieses Gerüst aus den Fugen, so dass dann im flüssigen Silizium ein Atom von sechs Nachbarn umgeben ist. Die Siliziumatome rücken also näher zusammen, weswegen flüssiges Silizium auch eine erheblich höhere Dichte aufweist. Da dieser Umbau jedoch in wenigen Picosekunden abläuft, hatten bisherige Experimente den genauen Verlauf nicht hinreichend erklären können. "Lässt man sich beim Messen zu lange Zeit, kann man lediglich konstatieren, dass das, was vorher fest war, nun als Flüssigkeit vorliegt", nennt Hedler ein Hauptproblem. Deshalb bediente er sich der Methode des "Ion-Hammering", ein Effekt, der 1983 von dem Co-Autor Klaumünzer vom HMI entdeckt worden ist. Dabei wird eine mikrometerdünne Schicht eines festen Stoffes mit Ionen beschossen.

Diese Behandlung führt dazu, dass die Schicht hinterher platt ist, als ob ein Schmied sie auf einem Amboss breitgehämmert hätte. Das kommt dadurch, dass das Material entlang der "Ionenbohrlöcher" flüssig wird. Da diese kurzzeitig entstehende Flüssigkeit Schubspannungen, die entlang der Ionenbahn entstehen, abbaut, wird die Schicht auf bestimmte Art und Weise deformiert. "Würde der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand in amorphem Silizium genau so ablaufen wie bisher angenommen, so würde man nach Ionenbestrahlung eine entgegengesetzte Deformation feststellen", erklärt André Hedler. Seine Ergebnisse sprechen jedoch eine andere Sprache, ergo ist der Phasenübergang kein Schmelzprozess 1. Ordnung.

Was anders ist, beschreibt der Jenaer Nachwuchsforscher wie folgt: "Wir messen zwar eine plastische Deformation, d. h. für hinreichend hohe Energien werden Schubspannungen abgebaut. Doch die Richtung, in die die Spannungen abgebaut werden, ist nicht die erwartete. Das amorphe Silizium reagiert wie ein Glas." Diese Beobachtung setzt jedoch voraus, dass man im richtigen Zeitfenster auf die Probe blickt. Das ist Hedler und seinen Kollegen gelungen. Sie erwischten das Silizium dabei, wie es sich für kurze Zeit ausdehnte. An diesem Punkt liegt es bereits als Flüssigkeit vor, aber jedes Atom hat immer noch vier Nachbarn, die weiter voneinander wegrücken. Ehe man sich versieht, ist jedoch die Temperatur erreicht, bei der die Atome wieder näher zusammenrücken, so dass nun ein Atom sechs Nachbarn und die Flüssigkeit eine höhere Dichte hat.

"Bisher wurde amorphes Silizium nicht als Glas angesehen", berichtet Hedler. Denn letzten Endes liegt bei ausreichend hohen Temperaturen eine Flüssigkeit mit höherer Dichte vor. Ein solcher Effekt tritt in Glasschmelzen nicht auf. Dass er nachweisen konnte, dass Silizium sowohl als weniger dichte Flüssigkeit (LDL-Silizium) als auch als Flüssigkeit mit hoher Dichte (HDL-Silizium) vorliegt, impliziert, dass nach dem Glasübergang noch ein Flüssig-Flüssig-Phasenübergang erfolgt. Dieses Phänomen wird auch für Wasser angenommen.

Der Artikel von A. Hedler, S. Klaumünzer und W. Wesch "Amorphous silicon exhibits a glass transition" erscheint in der Novemberausgabe von "Nature Materials" und ist als "Advanced Online Publication" im Internet abrufbar.

Kontakt:

Dipl.-Phys. André Hedler
Institut für Festkörperphysik der Universität Jena
Helmholtzweg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947333
E-Mail: Hedler@pinet.uni-jena.de

Stefanie Hahn | idw
Weitere Informationen:
http://www.nature.com/cgi-taf/dynapage.taf?file=/nmat/journal/vaop/ncurrent/index.html

Weitere Berichte zu: Atom Dichte Flüssigkeit Silizium

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Satellitenbilder zur Erfassung von Biodiversität nur bedingt tauglich
20.11.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

nachricht Sehen, hören und fühlen in der Nanowelt
20.11.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Klein aber Fein: Das Designhaus "Frankel" aus England

20.11.2017 | Unternehmensmeldung

Mehr Sicherheit beim Fliegen dank neuer Ultraschall-Prüfsysteme

20.11.2017 | Maschinenbau

Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz

20.11.2017 | Physik Astronomie